桥梁工程|金门大桥的传奇

金门大桥建设于1933年~1937年，距今已有76年历史。其主跨1280 m，主塔高度227 m，保持世界纪录27年。尽管它已经不再是世界最长的桥，但它的历史价值和美学价值却从未被超越。

金门大桥之所以成为世界最著名的桥梁之一，并且经受了无数风雨、雾霭、地震的洗礼，仍然雄立于海峡之间，在于其设计者和建设者超越时代的胆识和智慧。在建设金门大桥之前旧金山市与海峡对面的马丁县隔海相望，交通只能靠渡船，极不方便，限制了旧金山市的发展。

金门大桥的最初设计方案为Joseph Strauss 设计的悬臂桁架与悬索混合结构，之后更改为现在看到三跨悬索桥。金门大桥在景观上最大的特色在于其结构雄伟而简明，高耸的索塔和有力的主缆体现了震撼的力度感，连续的钢桁架桥面从海峡一侧延伸到另一侧，而背景又是浩瀚的天空、汹涌的大海和海岸的群山，桥梁景观与环境完美融合，相得益彰，更体现了美感。

从色彩上说，金门大桥的颜色选取了鲜艳的橘红色（International Orange），这是艺术家努力设计的结果，从功能上起到对来往船只预警防撞的作用，因为橘红色在雾天的穿透力很好，而旧金山海湾经常多雾。从美感上说，鲜艳的橘红色在海洋的深沉和天空的安详的蔚蓝色背景下显得格外绚丽，建筑的轮廓分外鲜明。

GoldenGateBridge.png-9.2kB

图 1 金门大桥几何模型示意图（Matlab程序绘制）

从结构的几何尺寸上来说，主缆的曲线在主跨为双曲线，在边跨为抛物线，以切线方向延伸至锚锭。跨度分布为 1125+4200+1125 （英尺），跨度比为1125/4200 = 0.267 ，主塔高度746 ft，其中桥面以上500 ft，桥面桁架以下220 ft，桁架高度6 ft，高跨比为0.173。塔柱的结构是多层门式刚架，并在桥面以下加X斜撑，在构造上桥塔由下向上每层逐渐变细，塔柱的横截面形式不是简单的矩形而是做了凹陷修饰。吊索间距均为50 ft，两边对称分布。综合而言，主桥结构高度对称，比例和谐，从而创造了高度的美学效果。

Joseph Strauss.jpg-179.4kB

图2 金门大桥及其建造者 Joseph Strauss

然而，大桥要应对各种荷载和环境的侵蚀，必须具备足够的抗力和耐久性。以抗力来说，大桥采用气动性能较好的桁架加劲梁，因此避免了塔克马桥风毁的惨剧。在后期养护维修中增设了抗震阻尼装置，提高了抗震性能。大桥每年刷一遍抗腐蚀涂料，保证了耐久性。

对于大跨桥梁其建设的难度很大程度上受自然环境制约，显然，需要超大跨桥梁的地方往往是海峡、河口、深谷等等地形险恶之处。因而，大跨桥梁的施工难度是极大地，在建设过程中体系不稳定的阶段很容易受到自然力量的破坏，在建成后其耐久性也受到严峻考验。材料的性能是至关重要的，每次材料技术的飞跃都会给桥梁工程带来质的飞跃，从铸铁到钢筋，从普通混凝土到预应力混凝土，从高强钢丝到高强碳纤维，先进的材料会使桥梁跨度的极限不断前进。正是依靠了美国当时强大的钢铁工业和机械设备基础，金门大桥才得以建成。
总结而言，桥梁工程的核心在于创新和挑战，不断面对和解决新的问题才能不断前进。正是由于当时金门大桥设计者超越时代的胆识和智慧，才使得大桥永远屹立在海湾之上，向后人展示着它永恒的传奇！

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MATLAB代码

function GoldenGate
% code to draw a 3-D geometric model of Golden GateBridge
clc,clear
x0 = 50*(1:63);
% x0(41) = [];
x1 = [-fliplr(x0) 0 x0];               % x1 cordinate of suspender rope
z1 = bola(x1);                         % y1 cordinate of suspender rope
dt = 0.1;
 
axis equal
axis([-4000 4000 -1000 1000 -100 1000])
set(gca,'xtick',[],'ytick',[],'ztick',[],'box','on')
% set(gcf,'Color', [0.28627  0.28627 0.74118])
set(gcf,'Color', 'w')
set(gcf,'Position',[189 222 1040 444])
axis off
view([-22 40])
 
% data for tower
x2 = [-2100 2100];
z2 = [246 356 476 606 746];
 
% draw tower
hold on
 
for i = 1:2                            % plot3 the towers
   plot3(repmat(x2(i),1,6),repmat(-45,1,6),[0 z2],'r','LineWidth',3)
       pause(dt)   
   plot3(repmat(x2(i),1,6),repmat( 45,1,6),[0 z2],'r','LineWidth',3)
        pause(dt)
   for j= 1:5
    plot3([x2(i)x2(i)],[-45 45],[z2(j) z2(j)],'r','LineWidth',4)
        pause(dt)
   end
end
 
plot3([-3225 3225],[ 45 45],[246 246],'r','LineWidth',1) % draw thedeck
pause(dt)
plot3([-3225 3225],[-45 -45],[246 246],'r','LineWidth',1)
 
k = length(x1);                                % draw the main cable
plot3([-3225 x1 3225 ],repmat(-45,1,k+2),[246 z1 246],'r','LineWidth',1)
pause(dt)
plot3([-3225 x1 3225 ],repmat( 45,1,k+2),[246 z1 246],'r','LineWidth',1)
 
for i = 1:k
    plot3([x1(i)x1(i)],[-45 -45],[z1(i) 246],'r','LineWidth',0.5)
    plot3([x1(i) x1(i)],[45  45],[z1(i) 246],'r','LineWidth',0.5)
    plot3([x1(i)x1(i)],[ -45  45],[246   246],'r','LineWidth',0.5)
    pause(dt)
end
 
 
function y = bola(x)
y = zeros(1,length(x));
for i = 1:length(x)
   temp=abs(x(1,i));
    if temp < 2100
        y(i) =246*sqrt(1+(temp/733.53)^2);            % y cordinate for hyperbola
    else
        y(i) =6.707e-5*temp^2-0.8016*temp+2134;       % y cordinate for parabola
    end
end